当有机分子吸收一个光子，然后将该光能一分为二时，就会发生单线态裂变——这种加倍效应有可能提高太阳能电池的光收集效率，前提是产生的电子能够被正确收集。
康奈尔大学领导的研究小组利用超快激光光谱仔细研究了裂变过程中的一个关键中间状态，即三重态对态，并发现在某些分子中，可以通过一种极其简单的技术直接生成中间态——实际上就是没有单重态的单重态裂变。
领导该团队的艺术与科学学院化学与化学生物学助理教授AndrewMusser表示：“这种一举两得的做法是让太阳能电池性能大大提升的一种非常有意义的方法，但是自20世纪60年代以来，人们一直认为必须先激发一个电子，然后慢慢地产生两个电子。”
“我们可以在实验数据中直接看到，不需要从单线态开始，可以直接激发这两个电子。”
该团队的论文《纠缠三重态对的相干光激发》于6月19日发表在《自然化学》杂志上。该论文的共同主要作者是博士后研究员JunoKim和博士生DavidBain。
Musser的研究小组研究有机材料中光与物质之间的相互作用，目的是改善其性能。其中一种材料是五苯并苯，这是一种由五个相连的苯环组成的碳氢化合物。
几年前，该团队的博士后研究员、现为韩国首尔延世大学教授的WoojaeKim注意到他们的一个分子样本中出现了无法解释的异常。在其吸收光谱中，一个本不应该吸收光子的区域出现了一个微弱的尖峰。
“这种小细节通常很容易被忽视，但我很幸运能有像Woojae这样一丝不苟的科学家来做这项工作，”Musser说。“他意识到有些已发表的论文中提到了这一特征，但他们在其他材料中却完全忽略了它。
“它处于一个可疑区域，我们开始认为它与我们感兴趣的三重态对状态有关，即单重态裂变。我们一直认为它是‘黑暗的’，无法吸收光。但也许它毕竟不是那么黑暗。”
研究人员组装了不同的并五苯衍生物，并对其进行了各种超快激光光谱技术研究，以查看是否能够为这种异常现象建立一个普遍的原理，最终将其归因于三重态对状态。
“为了进行这些测量，我们必须设计和建造自己的装置，实际上是一台超高速摄像机，”贝恩说。“为了能够看到光子被吸收时发生的非常快速的过程，我必须学会产生短于10飞秒的光脉冲。但这样我们就可以清楚地检测到三重态对状态的直接产生时间，并最终在几种不同的分子中对这种行为进行基准测试。”
通常，当光子被分子吸收时，单个电子会被激发。然而，当直接产生三重态时，两个电子会以相同的方式同时被激发。通过观察哪些分子产生了三重态，哪些没有，研究人员能够提取出一些使这种现象发生的设计规则。
他们确定，其中的“神奇”因素就是所谓的对称电荷共振态，这是量子力学的一个特征，在这种状态下，交换电子的分子开始更强烈地相互作用。
“这是材料光物理特性的一个绝佳例子，它超出了我们对经典力学(基本上是单电子图像)的理解，”JunoKim说。“当我们将这种神奇成分的量子力学概率考虑进去时，完全出乎意料的新行为就会出现。”
现在，研究人员能够设计出直接从基态光激发中间三重态对的效果。其好处不仅限于太阳能电池。由于电子的自旋态是纠缠的，单重态裂变可能被用作量子信息科学和量子计算的平台。
“这项研究的奇妙之处在于，我们发现了一种方法，通过分子设计来规避限制我们在材料光物理学领域所做事情的选择规则，”穆瑟说。
“这让我们能够将这些旧材料和众所周知的现象转变为新的应用，因为我们并不总是需要遵循规则。它们更像是指导方针。”
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